电机与拖动基础

电机与拖动基础

2012-3-23

电机与拖动基础

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电机与拖动课程前言

一、本课程性质及其特点：本课程性质及其特点：？1、本课程属

于技术基础课？2、基本概念多？3、电磁力关系复杂（电流、电压、磁

场、电磁力关系复杂（电流、电压、磁场、力矩关系）力矩关系）？4、

该课程以大学物理和电路理论为基础

2012-3-23电机与拖动基础2

二、参考书：参考书：

1、王毓东编《电机学》上、下，浙江大学出版社？2、顾绳谷编《电

机及拖动基础》，机械工业出版社？3、唐介编《电机与拖动》，高等教

育出版社？4、许建国编《电机与拖动基础》，高等教育出版社

2012-3-23电机与拖动基础3

三、本课程学习内容：本课程学习内容：

????变压器、直流机、异步机、变压器、直流机、异步机、同

步机掌握内容：掌握内容：1）工作原理）2）电磁力分析）3）特

性及应用）

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四、电机的作用与功能：电机的作用与功能:

电机是实现机械能与电能相互转换的电磁机器？电动机：电能机械

能电动机：？发电机：机械能电能发电机：？变压器：U1交流电能变

成U2交流电能变压器：交流电能变成U

2012-3-23电机与拖动基础5

五、电机的分类：电机的分类：1、按电能形式分？直流电机（发

电机、电动机）直流电机（发电机、电动机）？交流电机异步机、同

步机）（异步机、同步机）发电机、电动机）（发电机、电动机）

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2、按能量转换形式分

发电机（直流电机、交流电机）发电机（直流电机、交流电机）

（异步机、同步机）异步机、同步机）？电动机（直流电机、交流

电机）电动机（直流电机、交流电机）（异步机、同步机）异步机、

同步机）

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六、电机的作用：电机的作用：1、进行能量转化、传输和分配电

能进行能量转化、

一简单供电系统图

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2、驱动生产机械、

磁悬浮列车大型车床

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3、控制各种自动设备？盲人引路车？爬行机器人

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七、电机的发展状况

大型和超小型方向发展？同步发电机定子？各种微电机

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电力拖动系统动力学

1.1电力拖动系统的运动方程式L1电力拖动系统的运动方程式

电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、电

力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设

备和电源组成。制设备和电源组成。

电力拖动系统组成

机械特性表明电动机内部转速和转矩之间的关系，机械特性表明电

动机内部转速和转矩之间的关系，生产机械的负载转矩特性表明负载的

性能，要研究整个电力拖动系统，矩特性表明负载的性能，要研究整个

电力拖动系统，必须研究电动机和负载之间的运动规律——电力拖动系

统的运动方程式。电力拖动系统的运动方程式。之间的运动规律电力

拖动系统的运动方程式

1.单轴电力拖动系统.电动机转轴与生产机械的工作机构直接相

连，工作机构是电动机的负载。接相连，工作机构是电动机的负载。

d?GD2dnT?TL=J=dt375dt

222=GD=GD,J=mPg44g?=2nn60

单轴电力拖动系统

T为电动机的电磁转矩?m),为电动机的电磁转矩(N?,D为系统

转动部分的回转直径为系统转动部分的回转直径(m),

TL为电动机的负载转矩？m),为电动机的负载转矩(N?,m为系

统转动部分的质量为系统转动部分的质量(kg),

J为电动机轴上的总转动惯量？m2),?为电动机的角速度为电动

机轴上的总转动惯量(kg?,为电动机的角速度(rad/s),

为系统转动部分的回转半径(m),P为系统转动部分的回转半径G

为系统转动部分的重力为系统转动部分的重力(N),

g=9.81m/s2为重力加速度为重力加速度，GD2为转动部分的飞轮矩

为转动部分的飞轮矩(N・m2),

是具有加速度量纲的系数，/375=4gX60/(2Ji)是具有

加速度量纲的系数，单位为m/min•s。

动转矩

dn??>0,dt>0,?dn?T?TL?=0,=0,dt??<0,dn

<0,?dt?

系统处于加速；系统处于加速；恒速或静止，稳定运转状态；恒

速或静止，稳定运转状态；系统减速

实际的电力拖动系统，实际的电力拖动系统，大多数是电动机通过

传动机构与工作机构相连的多轴电力拖动系统。构相连的多轴电力拖动

系统。研究多轴电力拖动系统时，研究多轴电力拖动系统时，需要对每

根轴分别写出运动方程式并联立求解，最后得出电力拖动系统的运动规

律，显然比较麻烦。并联立求解，最后得出电力拖动系统的运动规律，

显然比较麻烦。

nbnnjl=,j2=,j==jlj2nbnfnf

实用工程计算：采用筒化多轴电力拖动系统的分析计算，将负

载转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上，电动机轴上，变多轴系统为

等效的单轴系统。效的单轴系统。

多轴电力拖动系统的简化

等效是指拖动系统在折算前和折算后的功率及储存动能保持不变，

及储存动能保持不变，即等效单轴系统应与实际的多轴系统具有相等的

机械功率和动能。的多轴系统具有相等的机械功率和动能。

1.2多轴电力拖动系统的简化计算多轴电力拖动系统的简化计算

1.2.1工作机构为转动情况时，转矩与飞轮矩的折算工作机构为转动

情况时，工作机构为转动情况时1.转矩的折算转矩的折算多轴电力拖

动系统中：多轴电力拖动系统中工作机构折算前的机械功率=工作机构

折算后的机械功率工作机构折算前的机械功率工作机构折算后的机械

功率

Tf?f=TF?

为工作机构转轴的角速度；？f为工作机构转轴的角速度；为工作机

构的实际负载转矩；Tf为工作机构的实际负载转矩；

TF=Tf?f?=Tfnfn=Tfj

为电动机轴的角速度；为电动机轴的角速度；TF为工作机构负载转

矩折算到电动机轴上的折算值；机轴上的折算值；为传动机构总的速

比，nf为传动机构总的速比，写成一

j=n

般形式为j=只j2j3?,等于各级速比乘积；

考虑传动机构的传动效率：考虑传动机构的传动效率：

TF=

Tfjn

Tfj

+?T

式中n为传动机构总效率，等于各级传动效率乘积，n=nin2

n3?；传动机构转矩损耗：传动机构转矩损耗：?T=TF?j=j

n?j

TfTfTf

由于负载是由电动机拖动的，电磁转矩为拖动性转矩，由于负载是

由电动机拖动的，电磁转矩为拖动性转矩，？T是由电动机负担。是由电

动机负担。

2.飞轮矩的折算.

飞轮矩用于表征运动物体机械惯性的大小；飞轮矩用于表征运动物

体机械惯性的大小；2212=1GD?2nn?J???旋转物体的动能

为：旋转物体的动能为224g?60?

2工作机构转轴的飞轮矩为GDf,

折合到电动机轴上的飞轮矩

2折算后其动能为：为GDF,折算后其动能为

动能为：动能为

GD21lfJf?2=f24g2?2nnf??60?????2

2GDF?2Jin?21lJF?2=??224g?60?

折算的原则是折算前后该轴的动能不变，动能不变，即

GD2?2nnf1f?24g?60?

2GDF=

22?lGDF?2Jin?2?=???24g?60??

GD2f=GD2fj2

化简后得到负载轴上飞轮矩的折算公式：化简后得到负载轴上飞轮

矩的折算公式

n2()nf

传动机构中还有转速为nb的轴，其轴上各部分的总飞轮

2动能是：矩实际值为GDb，动能是动能是

折合到电动机轴上以后的飞

2其动能为：轮矩为GDB,其动能为

2GDb?2nnb?21??24g?60?

21GDB24g

2nn????60?

2

根据折算前后该轴动能不变的原则有：根据折算前后该轴动能不变

的原则有

22GDb?2JTnb?21GDB?2jrn?21??=??24g?60?

24g?60?

22GDbGDb2GDB==n22jl()nb

飞轮矩折算时，其折算值为实际值除以速比的平方，注意不同转飞

轮矩折算时，其折算值为实际值除以速比的平方，(注意不同转速的轴

其速比也不一样。速的轴其速比也不一样。)

从上面分析的结果可以得到整个电力拖动系统折算到电动机轴上的

总飞轮矩为：上的总飞轮矩为

2GD2=GDa+2GDb(n2)nb+GD2f(n2)nf2=GD

a+2GDb2jl+GD2f(jlj2)22^(1+6)GDa

写成一般形式为：写成一般形式为

2222GD2GD2GDbGDbGDcGDcff22GD2=GDa+++?+

=GDa+++?+nnn22jl(jlj2)2j2()2()2()nbncnf

一般地说，一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要

比电动机轴的转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有

多根轴，转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有

多根轴，但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大，但它们的飞

轮矩折算到电动机轴上后数值不大，是系统总飞轮矩的次要部分

(20-30%);电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主；次要部分

要部分(70-80%)。o要部分

一般地说，一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比

电动机轴的转速低，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机

轴的转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；飞轮矩的折算与转速

比平方成反比；尽管可能有多根轴，尽管可能有多根轴，但它们的飞轮

矩折算到电动机轴上后数值不大，不大，是系统总飞轮矩的次要部分

(20-30%)；；电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70

电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分80%)。o

例题1-例题-1(Pg4)已知飞轮矩GDa2=14.5N•m',GDb2=18.8

N・m',GDf2=120N传，,,动效率n转矩T动效率Q1=0.91,

n2=0.93,转矩f=85N・m,转速=2450r/min,nb,转速n/,=810r

/min,nf=150r/min,忽略电动机空载转矩，/,/,忽略电动机

空载转矩，折算到电动机轴上的系统总飞轮矩GD求：(1)折算到电动机

轴上的系统总飞轮矩2；折算到电动机轴上的系统总飞轮矩(2)折算到

电动机轴上的负载转矩F。折算到电动机轴上的负载转矩T折算到电动

机轴上的负载转矩

解：(1)系统总飞轮矩系统总飞轮矩：系统总飞轮矩

GD2GDb218.8120f22GD=GDa++=14.5++n2n22450

224502()()()()nbnf810150=14.5+2.055+0.45=17.005

N?m2

2=(1+8)GDa=(1+1.172)X14.5=17.005N?m2

(2)负载转矩：负载转矩

TF=

Tfnn1n2nf

852450X0.91X0.93150

=6.15N?m2

1.2.2工作机构为平移运动时，1.2.2工作机构为平移运动时，转矩

与飞轮矩的折算工作机构为平移运动时

有些生产机械，如桥式起重机的起重小车、龙门刨床等，有些生产

机械，如桥式起重机的起重小车、龙门刨床等，它们的工作机构作平

移运动。它们的工作机构作平移运动。刨床电力拖动系统：刨床电力

拖动系统：电动机经多级齿轮变速后，用齿轮、齿条把旋用齿轮、

转运动变成工作台的平移运动。移运动。切削时工件与工作台一起

以速度V移动，刨刀固定不动。作用在工件上的切削力为F,电动机刨

刀固定不动。作用在工件上的切削力为，的转速为n,传动机构效率为

n的转速为，传动机构效率为n。

刨床电力拖动示意图

把这种多轴系统等效成单轴系统，把这种多轴系统等效成单轴系统,

须将切削力及平移运动部件的质量折算到电动机轴上的等效转矩TF及

等效飞轮矩GDF2o1.转矩的折算转矩的折算工作机构为平移运动时，

切削功率为工作机构为平移运动时，切削功率为：根据功率平衡关系则

有：TF?=Fv根据功率平衡关系则有

P=Fv

电动机轴上的等效转矩：电动机轴上的等效转矩传动机构的转矩损

耗：传动机构的转矩损耗

F??N,

FvFvFvTF===9.552nnnn?nn60

TF?T=?TF

n

v??m/s,n??r/min,TF??N?m

2.飞轮矩的折算飞轮矩的折算折算的原则：折算前后储存的动能相

等。折算的原则：折算前后储存的动能相等。平移运动部件的动能：平

移运动部件的动能

12=1Gfv2mfv22g

折算到电动机轴上的转动惯量中储存的动能：折算到电动机轴上的

转动惯量中储存的动能

21GDF2Jin21JF?2=()224g60

根据折算前后动能不变的原则有：根据折算前后动能不变的原则有

2Gf21GDF2Jin21v=()2g24g60

Gfv2Gfv2

2GDF=4=3652nn2n2()60

例题：已知切削力F=10000N,工作台与工件运动速度例题已知切削

力,工作台与工件运动速度v=0.7m/s,,(Pgl2)传动机构总效率n

=0.81,电动机转速=1450r/min,传动机构总效率Q,电动机转速n

/,电动机的飞轮矩GDD2=100Nm2,求：(1)切削时折算到电动机轴

上的负载转矩；切削时折算到电动机轴上的负载转矩；切削时折算到电

动机轴上的负载转矩(2)估算系统的总飞轮矩；估算系统的总飞轮矩；

估算系统的总飞轮矩(3)不切削时，工作台及工件反向加速，电动机以

dn/dt=500不切削时，工作台及工件反向加速，电动机以不切削时

r/min?s,恒加速度运行，计算此时系统的动转矩绝对值。？恒加速度运

行，计算此时系统的动转矩绝对值。

解：(1)切削时折算到电动机轴上的负载转矩计算切削)功率为：功

率为

P=Fv=10000X0.7=7000W

折算后的负载转矩：折算后的负载转矩

Fv7000TF=9.55=9.55X=56.92(N?m)nn1450X0.81

(2)估算系统总的飞轮矩：(2)估算系统总的飞轮矩：估算系统总的飞

轮矩

2GD241.2GDD=1.2X100=120(N?m2)

(3)不切削时，工作台与工件反向加速，系统动转矩绝对值：不切削

时，工作台与工件反向加速，系统动转矩绝对值不切削时

GD2dn120T?TF==X500=160(N?m)375dt375

1.2.3工作机构做提升和下放重物运动时，转矩与飞工作机构做提升

和下放重物运动时，轮矩的折算

桥式起重机的提升机构、电梯、桥式起重机的提升机构、电梯、矿

井卷扬机等，矿井卷扬机等，它们的工作机构都是作升降运动。是作

升降运动。升降运动属于直线运动并与重力有关。运动并与重力有关。

电动机通过传动机构(减速箱，电动机通过传动机构(减速箱速比为j

拖动一个卷筒，半径为R,比为)拖动一个卷筒，半径为，转速

为n转速为f；缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重力为G=mg,；重

物挂一重物，重力为，提升时传动机构效率为H提升时传动机构效

率为nt,卷筒重物提升或下放的速度都为V。物提升或下放的速度都

为。

工作机构运动为升降的电力拖动系统

1.负载转矩折算

(1)提升重物时负载转矩的折算：)提升重物时负载转矩的折算传

动机构损耗的转矩：传动机构损耗的转矩

T=

GRGRTFt=+?T=jjnt

GRGR?jntj

由摩擦产生，总是起阻碍运动的作用。重物时由电动机负担，由

摩擦产生，总是起阻碍运动的作用。提升重物时由电动机负担，下

放重物时，卷筒上的负载转矩成为拖动转矩，由负载承担。下放重物时,

卷筒上的负载转矩成为拖动转矩，由负载承担。(2)下放重物时负载转矩

的折算下放重物时负载转矩的折算

GRGRGRGRGR1GR)=(2?)=n,TFI=??T=?(?nt

jjjntjjjI

nI=2?

1

nt

2.飞轮矩的计算与平移运动相同。飞轮矩的计算与平移运动相同。

例题(Pg8):已知减速箱的速比已知减速箱的速比j=34,提升重物时

效率n=0.83,卷例题，提升重物时效率n，筒直径d=0.22m,空钩

重量0=470N,所吊重物重,空钩重量G筒直径,所吊重物重G=8820N,

电，动机的飞轮矩GD当提升速度为v=0.4m/s,求：动机的飞轮矩

D2=10N«m2,当提升速度为,(1)电动机的转速电动机的转速(2)忽略

空载转矩时电动机所带的负载转矩；忽略空载转矩时电动机所带的负载

转矩；忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩(3)以v=0.4m/s下放该重

物时，电动机的负载转矩。以下放该重物时，下放该重物时电动机的

负载转矩。解：(1)电动机转速的计算电动机转速的计算卷筒的转速:

卷筒的转速

nf=

电动机的转速：电动机的转速

60v60v60X0.4===34.72(r/min)2nrndnX0.22

n=nfj=34.72X34=1180.5(r/min)

(2)提升时电动机负载转矩的计算提升重物时负载实际转矩为：提

升重物时负载实际转矩为：

Tf=d0.22(G0+G)=X(1470+8820)=1131.9(N?m)

22

TF=Tfjn=1131.9=40.11(N?m)34X0.83

电动机的负载转矩为：

(3)以v=0.4m/s下放该重物时电动机负载转矩的计算以下放该重物

时电动机负载转矩的计算传动机构损耗转矩：传动机构损耗转矩

T=Tfjn?Tfj=40.11?1131.9=6.82(N?m)34

电动机的负载转矩为：电动机的负载转矩为

T=Tfj??T=1131.9?6.82=26.47(N?m)34

某起重机的电力拖动系统：电动机P例题(Pg9):某起重机的电力拖

动系统：电动机n=20kw,,nN=950r/min,传动机构的速比1=3,j2=3.5,

j3=4,各级齿轮传递效，传动机构的速比j,,,率都是=0.95,

各转轴上的飞轮矩GDa2=123N-m2,GDb2=49N・m',,各转轴上的飞

轮矩：，nGDc2=40N-m\Dd2=465N•m,卷筒直径=0.6m,吊钩重0

=1962N,,,卷筒直径d,吊钩重G,被吊重物G被吊重物=49050N。。

忽略电动机空载转矩，忽略电动机空载转矩，忽略钢丝绳重量，忽略

钢丝绳重量，忽略滑轮传递的损耗，略滑轮传递的损耗，求:

n

(1)以速度以速度v=0.3m/s提升重物时，负载(重物及吊钩)转矩、

卷筒提升重物时，负载(重物及吊钩)转矩、以速度转速、电动机输

出转矩及电动机转速；转速、电动机输出转矩及电动机转速；(2)负载

及系统的飞轮矩(折算到电动机轴上)；负载及系统的飞轮矩(折算到电

动机轴上)负载及系统的飞轮矩(3)以加速度以加速度a=0.Im/s2提升

重物时，电动机输出的转矩。提升重物时，电动机输出的转矩。以加速

度解：(1)以速度以速度v=0.3m/s提升重物时负载(吊钩及重物)转

矩提升重物时负载(吊钩及重物)转矩：

Tf=1d10.6(GO+G)=X(1962+49050)X=7651.8(N?

m)2222

nf=60(2v)60X2X0.3==19.1(r/min)ndnX0.6

卷筒转速：卷筒转速

电动机输出转矩：电动机输出转矩T2=TF=电动机转速：电动机

转速

Tfjn

7651.83X3.5X4X0.952

=212.5(N?m)

n=nfj=19.1X3X3.5X4=802.2(r/min)

(2)负载及系统的飞轮矩的计算负载及系统的飞轮矩的计算吊钩及

重物飞轮矩：吊钩及重物飞轮矩

222=365(GO+G)v=365X(1962+49050)X0.3=2.6(N?

m2)GDFn2802.22

系统总的飞轮矩：系统总的飞轮矩

222GDbGDdGDc22GD2=GDa++++GDF2jl(jlj2)2

(jlj2j3)24940465=123++++2.6=131.7(N?m2)32

(3X3.5)2(3X3.5X4)2

(3)以加速度以加速度a=0.Im/s2提升重物时电动机输出转矩的计算

以加速度电动机转速与重物提升速度的关系：电动机转速与重物提升速

度的关系

60X2vn=nfjlj2j3=jlj2j3兀d

电动机加速度与重物提升速度的关系：电动机加速度与重物提升速

度的关系

dnd120v120dv120=(jlj2j3)=jlj2j3=jlj2j3

adtdtnddtndnd120=义3X3.5X4X0.1=267.

4(r/min?s)nX0.6

电动机输出转矩：电动机输出转矩

GD2dn131.7T=TF+=212.5+X267.4=306.4(N?m)375

dt375

1.3负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件负载的转矩特

性与电力拖动系统稳定运行的电动机的电磁转矩与转速之间的关系称为

机械特性。电动机的电磁转矩与转速之间的关系称为机械特性。电动机

的电磁转矩为驱动转矩，电动机的电磁转矩为驱动转矩，其正方向与电

机的旋转方向一致；转方向一致；生产机械工作机构的负载转矩的正

方向与电机的旋转方向相反。方向相反。生产机械工作机构的负载转

矩与转速之间的关系，生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系,

称之为负载的转矩特性。之为负载的转矩特性。

1.3.1负载的转矩特性负载的转矩特性

1.恒转矩负载的转矩特性恒转矩负载的转矩特性（1）反抗性恒转矩

负载反抗性恒转矩负载特点：工作机构的负载转矩与转速的方向始终相

反，特点：工作机构的负载转矩与转速的方向始终相反，转方向始终相

反象限内转矩的绝对值大小恒定不变，转矩的绝对值大小恒定不变矩

特性位于I,矩特性位于HI象限内，转矩的绝对值大小恒定不变，是阻

碍运动的制动性转矩。碍运动的制动性转矩。制动性转矩皮带运输机、

皮带运输机、轧钢机等由摩擦力产生负载转矩的工作机构属于这类型。

构属于这类型。考虑传动机构损耗转矩？T后，折算到电动机轴上负载

转矩特性，关系曲线。矩特性，即TF~n关系曲线

实际特性

折算后特性

反抗性恒转矩负载的转矩特性

I象限象限：象限

TF=

nf>0,Tf>0

III象限象限：象限

nf<0,Tf<0

Tfj

+?T=

Tfjn

阻碍运动的制动性转矩

(2)位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载特点：工作机构的负载转

矩绝对值大小是恒定的特点工作机构的负载转矩绝对值大小是恒定的，

而且工作机构的负载转矩绝对值大小是恒定的，方向不变，转矩特性

位于I,IV象限内；起重机提升下放重物方向不变，转矩特性位于象限

内；象限内就属于这个类型。就属于这个类型。我们分析的电力拖动

系统都简化为单轴系统，我们分析的电力拖动系统都简化为单轴系统，

只要知道关系曲线。电动机轴上的转矩与转速TF~n关系曲线。

实际特性

折算后特性

位能性恒转矩负载的转矩特性

提升重物时：提升重物时：nf>0,Tf>0阻碍运动的制动性转

矩TfTFt=+?T,

j

下放重物时：下放重物时：nf<0,Tf>0

TFI=Tfj??T

帮助运动的拖动性转矩

2.泵类负载的转矩特性泵类负载的转矩特性

水泵、油泵、水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，螺旋桨等，其转

矩的大小与转速的平方成正比，转速的平方成正比，即

TF8n2

泵类负载的转矩特性

3.恒功率负载的转矩特性恒功率负载的转矩特性

工作机构负载转矩与转速之积为常数，工作机构负载转矩与转速之

积为常数，即2nnfP=Tf?f=Tf=constant60电力牵引系统：电

力牵引系统：汽车爬坡，低速大转矩；高速公汽车爬坡，低速大

转矩；路运行，高速小转矩。路运行，高速小转矩。车床加工另件：车

床加工另件：粗加工时，粗加工时，较大进刀量和较低转精加工时,

速；精加工时，较小进刀量和较高转速。高转速。

恒功率负载的转矩特性

以上所述恒转矩负载、以上所述恒转矩负载、泵类负载及恒功率负

载都是从各种实际负载中概括出来的典型的负载型式，种实际负载中概

括出来的典型的负载型式，实际的负载可能是以某种典型为主或某几种

典型的结合。是以某种典型为主或某几种典型的结合。例如通风机，主

要是泵类负载特性，例如通风机，主要是泵类负载特性，但是轴承摩擦

又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。反抗性

的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。又如起重机在提升

和下放重物时，又如起重机在提升和下放重物时，一般主要是位能性恒

转矩负载。转矩负载。我们分析电力拖动系统时；我们分析电力拖动

系统时；负载转矩特性作为已知量对待。

1.3.2电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件

电力拖动系统是由电动机与负载两部分组成的，电力拖动系统是由

电动机与负载两部分组成的，把电动机的机械特性与负载的转矩特性

结合起来，机的机械特性与负载的转矩特性结合起来，就可以研究电

力拖动系统的稳定运行问题。拖动系统的稳定运行问题。左图：电动

机的机械特性左图：1.电动机的机械特性2.负载的转矩特性负载的转

矩特性电力拖动系统的平衡工作点（稳定运电力拖动系统的平衡工作点

稳定运行的必要条件）行的必要条件

dnT=TL,=0dt图中两条曲线的交点A满足此条件，图中两条

曲线的交点A满足此条件，

电力拖动系统的平衡状态

称为平衡工作点。称为平衡工作点。

实际运行的电力拖动系统，经常会出现一些干扰：实际运行的电力

拖动系统，经常会出现一些干扰：电源电压波动；负载转矩波动；当负载

电流较大时当负载电流较大时，压波动负载转矩波动当负载电流较大

时，电枢反应使得他励直流电动机的机械特性上翘。直流电动机的机械

特性上翘。

关键是：关键是：突然出现了干扰，系统是否能够稳定运行？突

然出现了干扰，系统是否能够稳定运行？干扰消失后，系统是否能够回

到原来工作点继续稳定运行？干扰消失后，系统是否能够回到原来工作

点继续稳定运行？这就是我们要讨论的电力拖动系统稳定运行的充分条

件。这就是我们要讨论的电力拖动系统稳定运行的充分条件。

举例：举例：他励直流电动机拖动一泵类负载运行

URan=nO?BT=?T2Ce6NCeCT6N

UI-nOJ,

B不变；不变；

此刻，此刻，系统将改变原来的平衡状态，引起过渡过程：引

起过渡过程：电磁过渡过程机械过渡过程相比较而言：相比较而言：

电力拖动系统的稳定运行

机械惯性远远大于电磁惯性，电磁过渡过程很快就结束；机械惯性

远远大于电磁惯性，电磁过渡过程很快就结束；而转速变化较慢，必须

考虑机械过渡过程。而转速变化较慢，必须考虑机械过渡过程。

分析步骤：分析步骤：（1）UI-nOI,忽略电磁过渡过程,忽

略电磁过渡过程，曲线P直接替代曲线1；但此刻，曲线直接替代

曲线；但此刻，转速nA不能突变，负载转矩TA不能突变;

电动机运行点从A变不能突变；电动机运行点从变到B,电磁转矩变小

为TB；,系统开始减速的机械TB?TA<0,系统开始减速的机械过

渡过程。过渡过程。（2）在减速的机械过渡过程中：在减速的机械过渡

过程中：在减速的机械过渡过程中

nl-Tf,电动机运行点沿曲线下降；对电动机来讲，电动机

运行点沿曲线r下降对电动机来讲，电动机运行点沿曲线下降；

电力拖动系统的稳定运行

对泵类负载来讲，nI-TLI对泵类负载来讲，

Tt,TLI,T?TLI,

T=TL,dn=0dt

dndtI

直到曲线1'与曲线交于点为止，直到曲线与曲线2交于点为止,

与曲线交于A'点为止

,电动机的运行点经历

的过程，了A-B-A'的过程，系统减速过渡过程结束，到达

新的平衡点。渡过程结束，到达新的平衡点。可见，虽然出现了电压干

扰，可见，虽然出现了电压干扰，但系统是能够稳定运行；那么，电

但系统是能够稳定运行；那么，压干扰消失后，系统是否能够回到压

干扰消失后，原来工作点继续稳定运行？原来工作点继续稳定运行？

电力拖动系统的稳定运行

(3)电压干扰消失后，忽略电磁过渡过程，曲线直接恢复为电压干

扰消失后，忽略电磁过渡过程，曲线1'曲线1；但此刻，不能突变，不

能突变；曲线；但此刻，转速nA'不能突变，负载转矩TA'不能

突变；电动机运行点从A，变到，电磁转矩加大为TC；电动机运行点

从变到C,变到

TC?TA>0,系统开始升速的机械过渡过程系统开始升速的机械过

渡过程

(4)在升速的机械过渡过程中：在升速的机械过渡过程中：在升速

的机械过渡过程中电动机nt-TI，电动机运行点沿曲电动机运行

点沿曲线1上升；同时，泵类负载nt-TLt；上升；同时，上升

L

dndtI

直到曲线1与直到曲线与

dn=0dt

电力拖动系统的稳定运行

曲线2交于点为止曲线交于A点为止，T=TL,交于

电动机的运行点经历了A'-C-A的过程，系统回到原工作点上

稳定运行。的过程，系统回到原工作点上稳定运行。

那么，那么，是否所有的电动机机械特性与负载转矩特性上的交

点都能稳定运行？都能稳定运行？举例：当负载电流较大时，举例：

当负载电流较大时，电枢反应可以使得他励直流电动机的机械特性上

翘。机的机械特性上翘。左图：左图：1与1'为他励直流电动机的

机械与特性2为恒转矩负载的转矩特性

电力拖动系统的不稳定运行

分析步骤：分析步骤：（1）UJ-nOj，忽略电磁过渡过程，曲

线1'直接替代曲线；但此忽略电磁过渡过程，曲线直接替代曲线1；

刻，转速nA不能突变，负载转矩不能突变，不能突变；电动机运行

点不能突变；

dt

变到B,从A变到，电磁转矩增大为TB；TB?TA>0,dn>0,

系统开始变到升速的机械过渡过程。升速的机械过渡过程。（2）在升

速的机械过渡过程中：在升速的机械过渡过程中：在升速的机械过渡过

程中负载转矩始终为TA,电动机运行点沿曲线1',nTt行

点沿曲线，

dn-(TB?TA)-fnt-?dt

tt

电力拖动系统的不稳定运行

转速上升得越来越快。直到系统转速过高，毁坏电动机为止。转速

上升得越来越快。直到系统转速过高，毁坏电动机为止。该系统不能在

原来交点A的附近继续稳定运行，该系统不能在原来交点的附近继续稳

定运行，属不稳定运行的附近继续稳定运行

稳定运行的充分必要条件是：稳定运行的充分必要条件是

(1)

T=TL

(2)在T=TL处dT<dT在

dn

L

dn

1.电力拖动系统必须在电动机的机械特性与负载转矩特性的交点

上；的交点上；2,两条曲线在交点处必须配合得好，才能保证系统稳

定运两条曲线在交点处必须配合得好，行：在交点所对应的转速之上

区域，在交点所对应的转速之上区域，应保证T<TL当系统高于交点处

的速度时，系统作减速运行；当系统高于交点处的速度时，系统作减速

运行;

T在交点所对应的转速之下区域，在交点所对应的转速之下区域，

应保证＞TL

,使得

,使得当

系统低于交点处的速度时，系统作升速运行。系统低于交点处的速

度时，系统作升速运行。

判别下列系统能否稳定运行

第一章磁路（绪论）磁路（绪论）

本章学习：本章学习：？磁路的基本概念和基本定律？铁磁材料

的磁性能

磁

本章要求：本章要求：

路

掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点？掌握描述磁路的基本物

理量？掌握研究磁路的几个基本定律？熟练掌握电磁感应定律和电磁

力定律？掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线

第一下

基本物理量：基本物理量：

磁路的基本概念和基本定律

一、磁路的基本概念？磁路：磁通中经过的路径。磁路：磁通中经

过的路径。？1、磁感应强度B（磁密）单位：Wb/m2;或T磁感应强度B磁

密）单位：？2、磁通中单位：WB单位：？3、磁场强度H单位：A/m磁

场强度H单位：？4、磁动势F=NI磁动势F=NI?5、磁压降V=H1磁压

降丫=用?单位：A单位：单位：A单位：

线圈中有电流I线圈周围就会产生磁场，线圈中有电流I,线圈周

围就会产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数N和电流I的乘积IN,该乘

积就叫磁动势F于线圈匝数N和电流I的乘积IN,该乘积就叫磁动势F。

变压器磁路

5、磁导率U磁导率u

???表示物质导磁能力强弱的物理量R表示物质导磁能力强弱的

物理量U=B/H单位：单位：亨/米空气磁导率R=4冗空气磁导率口0=4

nX10-7H/m铁磁材料磁导率口»u铁磁材料磁导率R»U0

6、磁阻Rm、磁阻

磁阻R磁阻Rm=L/（口S）（uL:磁路长度;L:磁路长度磁路长度;

磁导率；U：磁导率；S：磁路截面积单位：1/亨磁路截面积单位：1/

亨

二.磁路的基本定律

1、安培环路定律（全电流定律）安培环路定律（全电流定律）？磁

场强度H沿任意闭合回路1的线积磁场强度H沿任意闭合回路1分，等

于该闭合回路所包围的全电流，即

2、磁路欧姆定律

磁路中的磁通与磁势成正比，与磁阻成磁路中的磁通与磁势成正比,

反比，反比，即磁通®=F/Rm

3、磁路的基尔霍夫第一定律任何磁路中，流进节点的磁通代数和任

何磁路中，为零

4、磁路的基尔霍夫第二定律在闭合磁回路中，合磁回路中，磁路

各段磁压降代数和等于作用于该磁路上的磁动势之和。于作用于该磁路

上的磁动势之和。

三.基本电磁定律

1、电磁感应定律、？1）运动电势：导体在磁场中运动时，）运

动电势：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e大小：导体中会

感应出电势eo大小：电势e=Blvo磁密；1：导体长度；V：e=Blv0

B:磁密；1：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。正方向：导体

与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断？电势正方向表示电位

升高的方向，与电势e正方向表示电位升高的方向正方向表示电位升高

的方向，U相反。如果同一元件上和U正方向相相反。相反如果同一

元件上e和正方向相同时，同时，e=-Uo。

2）变压器电势：变压器电势：？线圈中的磁通变化时，线圈中会

感线圈中的磁通变化时，应电势e电势e正方向：应电势e：电势e

正方向：e的正方向与中向与中正方向符合右手螺旋关系

2、电磁力定律

一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作一个通电流的导体，这

个力叫电磁力。电磁力f=Bli用，这个力叫电磁力。电磁力f=Bli?电

磁力方向：左手定则判断电磁力方向：

第二节

铁磁材料的磁性能

一、高导磁性数据终端设备高导磁性数据终端设备

-1、含义：在一个空间（外）磁场中，放入含义：在一个空间（磁

场中，铁磁材料，该磁场会被大大加强。铁磁材料，该磁场会被大大加

强。-2、高导磁性原因

二、铁磁材料的磁化过程和磁化曲线

铁磁材料的磁化过程可分为四阶段：铁磁材料的磁化过程可分为四

阶段四阶段：？可逆磁化阶段、不可逆磁化阶段、可逆与不可逆磁可

逆磁化阶段、不可逆磁化阶段、化阶段、化阶段、趋近饱和阶段？磁

场强度H与铁磁材料中B的关系曲线磁场强度H与铁磁材料中BB=f（H）

三、铁磁材料的磁滞和剩磁现象

铁磁材料中磁场B的变化落后于外磁场H铁磁材料中磁场B的变化落

后于外磁场H的变化称为磁滞现象，的变化称为磁滞现象，从而在铁磁

材料中产生了剩磁。产生了剩磁。？饱和磁滞回线与换向磁化曲线上

的各有关磁学量

四、铁磁材料的磁损耗

当铁磁材料处于变化磁场中，会产生涡流损当铁磁材料处于变化磁

场变化磁场中耗和磁滞损耗。耗和磁滞损耗。？1、涡流损耗pFe=C

FeD2f2B2涡流损耗p?CFe：系数？D：厚度？f:频率？B：磁密？

2、磁滞损耗小磁铁来回翻转，摩擦耗能。磁滞损耗小磁铁来回翻转，摩

擦耗能。ph=khfB2

第15讲讲

直流电动机

海南风光

第9章章

直流电动机

9.1概述9.2工作原理9.3电枢电动势及电压平衡关系9.4电磁

转矩9.5机械特性9.6直流电动机的调速9.7直流电动机的使用和额

定值

9.1概述

与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，与异步电动机相比，

直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流

电源。用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。

直流电机的优点：直流电机的优点：

调速范围广，（1）调速性能好调速范围广，易于平滑调节。）调

速性能好:调速范围广易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快

速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易

于控制。）易于控制。

应用：应用：

（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等）轧钢机、

电气机车、无轨电车、调速范围大的大型设备。调速范围大的大型设备。

（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的

地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动

玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、

9.2工作原理

电刷

一、工作原理

+UI-

换向片

NI

S

直流电源

电刷

换向器

线圈

电刷

FNIIF

+U-

换向片

S

注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转注意：换向片和电

源固定联接，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上

半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。电刷压在换

向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线

圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。

电刷

FENIIEF

+U-

换向片

s

由右手定则，线圈在磁场中旋转，由右手定则，线圈在磁场中旋转,

将在线圈中产生感应电动势，产生感应电动势，感应电动势的方向与电

流的方向相反。方向相反。

直流发电机

用右手定则判感应电动势Ea的方向感应电动势的方向E

+U-感应电动势

la

NE电枢绕组电阻Ra电阻S输出电压

E=KE6n

U=E

laRa

二、直流电机的构成

直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子

和机座等部分构成。机座

磁极

转子

励磁绕组

励磁式直流电动机结构

1.转子（又称电枢）转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换

向器组成。）、换向器组成由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定

子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由

永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，励磁式：磁极上绕线圈，然后

在线圈中通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，形成电磁铁。励磁

的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。

产生磁通，称为励磁。

根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，根据励磁线圈和转子绕组的

联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：直流电机又可细分为：

他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。他励电动机：励磁

线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到

同一电源上。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串

励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励电动机：励

磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子

电枢的联接有串有并，接在复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有

串有并，同一电源上。同一电源上。

IfUfla

MUU他励

If

M并励

U

M

U

M

串励

复励

9.3电枢电动势及电压平衡关系

一、电枢中的感应电动势

电枢通入电流后，产生电磁转矩，电枢通入电流后，产生电磁转矩,

使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，场中转动起来。通

电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（表示）。圈中产

生感应电动势（用E表示）。表示

电刷

FENIIEF

+U-

换向片

S

电刷

FENIIEF

+U-

换向片

S

根据右手定则知，和原通入的电流方向相反和原通入的电流方向相

反，根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：其大小

为:

E=K6En

KE：与电机结构有关的常数①：磁通n：电动机转速：

单位：韦伯），），n（每分），E（每分），单位：中（韦伯），

（转/每分），（伏）

二、电枢绕组中电压的平衡关系

因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。因为与通入的电流

方向相反，所以叫反电势。与通入的电流方向相反Ra++U=E+IaRa

laMEUU：外加电压：Ra:绕组电阻绕组电阻--以上两公式反

映的概念：以上两公式反映的概念：（1）电枢反电动势的大小和磁通、

转速成正比，